(57)【要約】【課題】絶縁性および耐ヒートサイクル性に優れ、かつ、耐部分放電特性にも優れた高い信頼性を有するセラミックス回路基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】セラミックス回路基板の回路パターン形成工程において、セラミックス基板に接合した金属板上に回路パターン形状にエッチングレジストを塗布し、さらにその外周に一定の距離を空けて、一定の幅のエッチングレジストを塗布することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法、並びに、前記製造方法により製造されるセラミックス回路基板。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス回路基板の回路パターン形成工程において、セラミックス基板に接合した金属板上に回路パターン形状にエッチングレジストを塗布し、さらにその外周に一定の距離を空けて、一定の幅のエッチングレジストを塗布することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項２】
回路パターン形状に塗布したエッチングレジストの外周に、0.1〜0.5mmの距離を空けて0.1〜0.3mmの幅のエッチングレジストを塗布することを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項３】
回路パターン形状に塗布したエッチングレジストの外周に、セラミックス基板に接合した金属板の厚みより短い距離を空けてエッチングレジストを塗布することを特徴とする請求項１または２記載のセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項４】
回路パターン形状に塗布したエッチングレジストの外周に、エッチングレジストを２回以上塗布することを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載のセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項５】
金属回路パターンの外周部の厚さがその中央部の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１〜４いずれか一項記載の製造方法により得られるセラミックス回路基板。
【請求項６】
セラミックス基板の裏面に、放熱板に接合するための金属層を有し、前記基板の表面の金属回路パターン上に、半導体チップ等の回路部品が搭載される電力制御部品において、請求項５記載のセラミックス回路基板を使用してなる電力制御部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い信頼性を有するセラミックス回路基板、その製造方法およびそれを用いた電力制御部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュール等に利用される回路用基板として、熱伝導率やコスト、安全性等の点から、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板が利用されている。これらのセラミックス基板は、ＣｕやＡｌ等の金属回路や放熱板を接合して回路基板として用いられる。これらは、樹脂基板や樹脂層を絶縁材とする金属基板に対し、高い絶縁性が安定して得られるという特長がある。
【０００３】
近年、パワーモジュールは、従来のエレベーター，無停電電源装置，産業機械等の分野に加えて、より高い信頼性が求められる電気鉄道用途やハイブリッドカー等に使用されるようになった。特に、電気鉄道用途の場合、従来の使用電圧である（１〜３ｋＶ）に対して、（６〜９ｋＶ）というように高電圧化が進んでおり、本用途に使用されるセラミックス回路基板に関して、高耐久性が要求されている。
【０００４】
高電圧に対するセラミックス回路基板の絶縁性については、セラミックス基板の厚みを厚くすることや、金属回路形状を工夫することによって対応可能であるが、高電圧を印可することによって生じる部分放電電荷量の増加や金属回路表面部分からの放電については、有効な対策が見出されていない。部分放電電荷量が増大すると、その部分で局所的な材料劣化が起こり、最終的には絶縁破壊に至る場合があるため、その解決が急務となっている。沿面距離を長く取れば解決できるが、回路基板のサイズが大きくなるという課題がある。そこで、セラミック回路基板の金属回路とセラミック基板の材質、金属回路の形状等が鋭意検討されているが、十分な解決策のないのが現状である。
【０００５】
一方、パワーモジュール用回路基板の耐ヒートサイクル性を向上させるため、接合層のはみ出し部分を比較的長くする提案がある（特許文献１）。しかしながら、接合層のはみ出し部分を長くすると、耐ヒートサイクル性は向上するものの、部分放電特性は低下するという課題がある。
【特許文献１】特開平１０−４１５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、絶縁性および耐ヒートサイクル性に優れ、かつ、耐部分放電特性にも優れた高い信頼性を有するセラミックス回路基板およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
即ち、本発明は、セラミックス回路基板の回路パターン形成工程において、セラミックス基板に接合した金属板上に回路パターン形状にエッチングレジストを塗布し、さらにその外周に一定の距離を空けて、一定の幅のエッチングレジストを塗布することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法であり、回路パターン形状に塗布したエッチングレジストの外周に、0.1〜0.5mmの距離を空けて0.1〜0.3mmの幅のエッチングレジストを塗布することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法であり、回路パターン形状に塗布したエッチングレジストの外周に、セラミックス基板に接合した金属板の厚みより短い距離を空けてエッチングレジストを塗布することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法であり、回路パターン形状に塗布したエッチングレジストの外周に、エッチングレジストを２回以上塗布することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法である。
【０００８】
さらに、前記セラミックス回路基板の製造方法により得られる、金属回路パターンの外周部の厚さがその中央部の厚さよりも薄いことを特徴とするセラミックス回路基板であり、セラミックス基板の裏面に、放熱板に接合するための金属層を有し、前記基板の表面の金属回路パターン上に、半導体チップ等の回路部品が搭載される電力制御部品において、前記セラミックス回路基板を使用してなる電力制御部品である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、絶縁性および耐ヒートサイクル性に優れ、かつ、および耐部分放電特性にも優れた高い信頼性を有するセラミックス回路基板およびその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明者は、セラミックス回路基板について鋭意検討を行った結果、セラミックス基板に接合した金属板にエッチングを施して回路パターンを形成する工程において、前記金属板上に回路パターン形状にエッチングレジストを塗布し、さらにその外周に一定の距離を空けて一定の幅のエッチングレジストを塗布することにより、金属回路パターンの外周部の厚さをその中央部の厚さよりも薄くすると、ベース板とセラミックス基板との熱膨張率の差に起因する熱応力が緩和され、その結果、金属回路がセラミックス基板より剥離したり、セラミック基板に亀裂が入ったり、はんだ層に亀裂が入ることを大幅に低減でき、絶縁性、耐ヒートサイクル性および耐部分放電特性に優れた高信頼性のセラミックス回路基板が従来に比べ生産性良く製造できることを見出した。                                                  
【００１１】
本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法は特に限定されるものではなく、例えば、次の方法で作製することができる。
【００１２】
セラミックス基板は特に限定されず、熱伝導性、強度等の観点より、窒化アルミニウム基板、または窒化珪素基板の使用が好ましい。また、その厚みは特に限定されないが、０．３〜３．０ｍｍ程度のものが一般的である。
【００１３】
金属板の厚みは特に限定されず、流れる電流に応じて適宜決められる。一般に、０．１〜０．５ｍｍのものが用いられることが多い。金属板の純度は、９０％以上であることが好ましい。純度が９０％より低いと、セラミックス基板と金属板を接合する際、金属板とろう材の反応が不十分となったり、金属板が硬くなりセラミック回路基板の信頼性が低下する場合がある。
【００１４】
セラミックス基板と金属板の接合には、一般に、接合材を用いない溶湯法、活性金属ろう付け法のいずれも採用することができるが、生産性が良く、しかも比較的低温で接合ができる活性金属ろう付け法が好ましい。
Si、Mg、Cu、Al、Ge、Ag、Ti、Mg、Zrなどの金属合金がろう材として好適である。ろう材は、ペースト又は箔として用いられる。ろう材は、セラミックス基板、または、金属板のどちらに塗布、或いは配置してもよく、合金箔を用いる場合は、予め金属板と合金箔をクラッド化しておくこともできる。
【００１５】
ろう材の塗布量は、乾燥基準で５〜２０ｍｇ／ｃｍ２ が好ましい。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ２ 未満では未反応の部分が生じる場合があり、一方、２０ｍｇ／ｃｍ２を超えると、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下する場合がある。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。
【００１６】
セラミックス回路基板に回路パターンを形成するため、金属板にエッチングレジストを塗布してエッチングを行う。本発明においては、金属板上に回路パターン形状にエッチングレジストを塗布し、さらにその外周に一定の距離を空けて、一定の幅のエッチングレジストを塗布する。この操作により、エッチング液が金属板上の回路パターン外周とさらに外周にあるエッチングレジストの間に存在し、その部分が局所的にエッチングされていく結果、図１および図３に示すように、一度のエッチング処理で、金属回路パターンの外周部の厚さが中央部の厚さよりも薄い構造を有するセラミックス回路基板が製造できる。    
【００１７】
本発明では、金属板上に回路パターン形状にエッチングレジストを塗布し、さらにその外周に一定の距離を空けて、一定の幅のエッチングレジストを塗布するが、その距離は0.1〜0.5ｍｍが好ましく、接合した金属板の厚みよりも短くすることがより好ましい。距離が0.1ｍｍ未満では、金属回路パターンの外周部と中央部の厚さに差がなくなり、高信頼性のセラミックス回路基板が得られない場合がある。一方、0.5ｍｍより大きくなると、エッチング時間が長時間となり、生産性が低下する場合がある。
【００１８】
外周のエッチングレジストの幅は、0.1〜0.3ｍｍであることが好ましい。外周のエッチングレジストの幅が0.1ｍｍ未満では、金属回路パターンの外周部と中央部の厚さに差がなくなり、高信頼性のセラミックス回路基板が得られない場合がある。また、エッチングレジストの幅が0.3ｍｍを超えると、外周部の一部がエッチング後にも残留して、凹型となってしまうため、高信頼性のセラミックス回路基板が得られない場合がある。
【００１９】
本発明においては、回路パターン形状に塗布したエッチングレジストの外周に、セラミックス基板に接合した金属板の厚みより短い距離を空けてエッチングレジストを塗布することが好ましい。金属板の厚みと同等以上の距離を空けてエッチングレジストを塗布した場合、エッチング時間が長時間となり、生産性が低下する場合や、深くエッチングされ過ぎて所望の形にエッチングできず、高信頼性のセラミックス回路基板が得られない場合がある。
【００２０】
外周部分のエッチングレジストはエッチング時に剥離し易いため、外周部のエッチングレジストの塗布回数は、金属板の厚みやエッチングレジスト間の幅等によっても異なるが、２回以上塗布することが好ましい。外周部のエッチングレジストを複数回塗布することにより、外周部のエッチングレジストの剥離が防止され、金属部のエッチングパターンの凹凸が無くなり、耐部分放電等の電気特性が向上する。
【００２１】
エッチングレジストに関して特に制限はなく、例えば、一般に使用されている紫外線硬化型や熱硬化型のものが使用できる。エッチングレジストの塗布方法に関しても特に制限はなく、例えばスクリーン印刷法等の公知の塗布方法が採用できる。また、エッチング液に関しても特に制限はなく、例えば、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶液、硫酸、過酸化水素水等が使用できるが、好ましいものとして、塩化第２鉄溶液、或いは塩化第２銅溶液が挙げられる。
【００２２】
エッチングによって不要な金属部分を除去したセラミックス回路基板には、塗布したろう材、その合金層、窒化物層等が残っており、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。
【００２３】
本発明に係るめっきレジストに関して特に制限はなく、溶剤乾燥タイプインク、ＵＶ硬化タイプインク等が使用できる。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。塗布厚は、乾燥後で0.005〜0.07ｍｍの厚みとなるように塗布することが望ましい。厚みが0.005ｍｍより薄いと、部分的に金属が表出してしまう場合があり、一方、0.07ｍｍより厚いと、めっきレジストの除去に時間がかかり、生産性が低下する場合がある。
【００２４】
めっき処理に関して特に制限はなく、作業性、コスト等の面から、無電解ニッケルめっき、無電解ニッケル金めっき、はんだめっきが好ましいものとして挙げられる。なお、めっき層の厚みは特に限定されないが、２〜８μｍが望ましい。めっき厚が、２μｍ未満であると、はんだ濡れ性、ワイヤーボンディング特性等の実装特性に悪影響を与える場合がある。一方、めっき厚みが８μｍを超えると、めっき被膜の剥がれ等により基板特性に悪影響を及ぼす場合がある。
【００２５】
めっきレジストの除去方法に関して特に制限はなく、例えば、エタノールやトルエンのような有機溶剤を用いて除去する方法や、アルカリ水溶液に浸浸させる方法が挙げられる。
【００２６】
このようにして作製されたセラミックス回路基板は、はんだによりベース板や半導体素子等の電子部品と接合される。はんだの種類は特に限定されないが、通常、錫、鉛、銀、ビスマス等が一般に使用される。はんだ付け方法は特に限定されないが、例えば、はんだペーストをスクリーン印刷法等で所定の部分に塗布し、部品等を搭載後、はんだが溶融する温度の炉内にいれる方法が挙げられる。はんだ層は、金属回路側面に接触しない方が、セラミックス回路基板の信頼性の点で好ましい。  
【実施例１】
【００２７】
〈実験Ｎｏ．１〉
厚み０．６３５ｍｍ窒化アルミニウム基板の両主面に厚さ０．０２ｍｍの接合材を介して厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板を重ね、クッション材としてカーボンコンポジット板(厚さ２mm)に挟んで、ホットプレス装置により、窒化アルミニウム基板に垂直方向に均等に２．５ＭＰａで加圧しながら、Ｎ2中で５５０〜６２０℃に加熱、接合した。次に、アルミニウム板上に、めっきレジストをスクリーン印刷法でめっき保護箇所に塗布し、めっき厚みが５μｍとなるように無電解ニッケルめっきを行った後、めっきレジストをエタノールで洗浄、除去した。
次に、回路面側の主面に、所定の回路パターン、並びに、回路パターン外周部より0.1ｍｍの距離を取って、幅が0.1ｍｍとなるようにエッチングレジストパターンをスクリーン印刷法にて印刷して、塩化鉄水溶液を用いてエッチングを行い、アルミニウム回路を形成した。得られたアルミニウム回路上に半導体素子、反対側の主面のアルミニウム板にベース板をはんだ付けし、絶縁性、耐ヒートサイクル性、部分放電性の評価を行った。結果を表１に示す。
【００２８】
〈使用材料〉
窒化アルミニウム基板：電気化学工業社製  商品名「デンカＡＮプレート」
接合材：Ａｌ９．５質量％、Ｓｉ／１質量％を含むＭｇ合金箔。        
アルミニウム板：ＪＩＳ Ａ１０８５材。
めっきレジスト：太陽インキ製造社製  商品名「ＭＡ−８３０」
ベース板：厚み５ｍｍの銅板（ＪＩＳ Ｃ１０２０）の表面にニッケルめっきを施したもの。
エッチングレジスト：互応化学工業株式会社製、商品名「PER−２７B−６」
はんだ：千住金属社製  共晶はんだ（OZ63-221CM5-42-10）
【００２９】
〈評価方法〉
耐電圧：回路側と放熱板側に、電圧を印可し絶縁破壊電圧を調べた。
耐ヒートサイクル性：（−４０℃、３０分→室温、１０分→１２５℃、３０分）を１サイクルとし、５０００サイクルまでの熱履歴を供試体に負荷して、膨れ、剥がれ等の外観異常、及び／又はセラミック板のクラック発生が、何サイクル目から生じるかを調べた。
部分放電特性：絶縁油（住友３Ｍ社製「フロリナートＦＣ−７７」）にセラミックス回路基板を浸漬し、電圧を印可したときの部分放電電荷量が１０ｐＣを超えたときの電圧値を、部分放電開始電圧とした。
【００３０】
【表１】
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【実施例２】
【００３１】
〈実験Ｎｏ．２〜７〉
エッチングレジストの外周からの距離とエッチングレジストの幅、並びに、アルミニウム板の厚みを変えたこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表１に示す。
【実施例３】
【００３２】
〈実験Ｎｏ．８，９〉
回路パターン外周のエッチングレジストを２回塗布したこと以外は、実験Ｎｏ．１および実験Ｎｏ．２と同様に行った。結果を表１に示す。
〈実験Ｎｏ．１０〉
実施例１において、回路パターン外周にエッチングレジストを塗布しないこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表１に示す。  
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施の形態を示す断面図
【図２】従来方法の一実施の形態を示す断面図
【図３】本発明の一実施の形態を示す断面図
【図４】本発明の一実施の形態を示す鳥瞰図（パターンの一例）
【符号の説明】
【００３４】
１    金属板
２    セラミックス基板
３    エッチングレジスト
４    エッチングレジスト塗布部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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